基于基尼系數的洱海灌區水資源配置均衡性研究

高澤坤，韋彥玲，趙 眾，顧世祥

(1.云南農業大學水利學院，云南 昆明 650051；2.云南省農業機械安全監理總站，云南 昆明 650051；3.云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650051)

為測定收入分配的不均勻程度，在洛倫茲曲線的基礎上，基尼系數彌補了洛倫茲曲線在反應收入分配均等程度方面不能定量化的缺陷[1]。洛倫茲曲線與基尼系數在分析水資源空間匹配均衡性時也有廣泛的適用性：國內學者利用洛倫茲曲線、基尼系數對青海省水資源、石羊河流域用水、圖們江干流徑流分布、南水北調受水區水資源配置和中國水資源等的空間不均勻性做出了評價分析[2- 7]。還有學者將基尼系數與協調發展度、納什效率系數、聯系數、泰爾指數、信息熵、適配度[8- 15]等結合起來建立水資源空間均衡評價模型來進行差異性分析。Sueyoshi等利用基尼系數提出了一個解決存在技術差距的減少環境技術進步對解決各種環境問題的新框架[16]。Dai.C等將水文模型、水量平衡模型、基尼系數和機會約束規劃(CCP)集成到一個通用的多目標優化建?？蚣苤校⒘嘶诨嵯禂档碾S機優化(GBSO)模型，反映水資源分配中相互沖突的公平和效益目標[17]。Hu.Z等以保證最低生態需水量為約束條件，建立了一個多目標規劃模型，用基尼系數衡量了該模型最大水資源分配的公平性[18]。筆者結合云南省洱海流域供需水預測及配置規劃成果，嘗試將洛倫茲曲線和基尼系數應用于灌區水資源配置領域來評估配置方案和均衡性。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

洱海灌區是洱海流域內耕地集中連片、土地肥沃、灌溉條件較好的區域，灌區土地總面積550.2km2。洱海灌區現狀年灌溉面積340km2，其中洱源縣184km2，大理市156km2；2035水平年灌溉面積348km2，其中洱源縣178.6km2，大理市169.4km2。灌區供水水源由蓄、引、提、調水工程及湖泊、河流、水庫構成。灌溉分區規劃按照自然條件、經濟發展要求、作物組成結構以及供水水源等將洱海灌區劃分三營、鳳羽、右所、上關、喜洲、下關、鳳儀、挖色、海東、洱海東岸面山綠化等10個單元。

1.2 數據來源

研究數據主要來源于以下資料：①國家氣候中心(中國氣象科學數據共享服務http://cdc.cma.gov.cn/)整編的大理氣象站1952—2020年降水資料；②《大理市、洱源縣國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》；③《大理滇西中心城市建設總體規劃》；④《大理市城市總體規劃(2010—2025年)》；⑤大理市、洱源縣土地利用現狀調查報告、土地利用總體規劃報告。

1.3 研究方法

洛倫茲曲線繪制，首先要計算出各分區某需水因子(城市生活、工業、農村生活、農業灌溉)、供水因子(蓄水、引提水、外調水、農業退水綜合利用、洱海提水)的區位熵；再把區位熵從小到大排序；最后以各區總供需水累計百分比和某供需因子累計百分比繪制洛倫茲曲線并計算基尼系數[19- 20]。

1.4 典型年選擇

根據大理氣象站的1952—2020年降水量系列進行經驗頻率計算，選擇P=5%、20%、50%、80%、95%等的特豐、豐、平、枯、特枯等典型年份為:1952、1999、1969、2010、1982年。

2 洱海灌區水資源配置方法模型及主要結果

2.1 水資源配置模擬模型

采用公平性最優與缺水率最小作為水資源優化配置模擬的目標函數，把水資源、湖泊、濕地、湖泊水位、供用水量平衡等作為約束條件。以MIKE SHE模擬計算彌苴河等斷面徑流為輸入，ArcGIS地理信息系統為支持，應用MIKE BASIN、WAS等平臺[21- 24]，遵循用水戶與水源工程之間的邏輯關系構建節點網絡模型，作為水資源規劃配置的支撐，對1952—2020年長系列模擬計算，提出了基于節水生態的洱海灌區“二元水循環”水資源配置方案，構建了高原-湖泊-流域系統健康水循環調控模式，并經過“三次供需平衡”得到洱海流域各水平年的生產、生活、生態[25]用水統一配置成果，進行不同水平年正常發展、深度節水生態等多情景的灌區水資源供需平衡分析及配置方案模擬，得出灌區農業節水減排工程規劃布局[26- 27]。

2.2 水資源配置結果

(1)2035水平年洱海流域的農田灌溉面積45.26萬hm2，較現狀年減少3.8萬hm2，發展高效節水灌溉面積34.3萬hm2，濕地1.93萬hm2，增加洱海東岸面山灌溉面積5萬hm2。農業需水量從現狀的3.59億m3減少到2.34億m3，工業需水提高938萬m3，城市生活需水提高0.34億m3，農村生活需水下降86萬m3，灌區總需水量從4.97億m3降至3.69億m3。

(2)通過配置方案實施，洱海流域水資源開發利用率由現狀56.9%下降到36.2%，凈入湖清水量從3.44億m3增加到6.15億m3，2035水平年洱海的年均水位較現狀提高0～0.72m，平均提高0.15m。

(3)洱海灌區2035水平年P=75%頻率需水3.86億m3，供水量3.86m3，供需已平衡；P=95%頻率需水4.13億m3，供水量3.97億m3，缺水0.16億m3，缺水率3.9%，為農業灌溉缺水，多年平均需水3.69億m3，供水量3.66億m3，缺水0.03億m3，缺水率0.7%；洱海灌區各單元城市生活、工業和農村生活供水保證率已達到97%，各片區常規、高效節水農業灌溉供水保證率分別達到75%、90%，供需已平衡，通過水資源的統一配置和農業節水減排等措施，實現了洱海流域的健康水循環。

3 結果分析

3.1 典型年洛倫茲曲線空間變化與基尼系數分析

根據前述方法，繪制各類型的洛倫茲曲線如圖1—2所示，計算各圖基尼系數見表1—2。

圖1 現狀年、2035水平年的各需水因子與總需水量的洛倫茲曲線

圖2 現狀年、2035水平年各供水因子與總供水量的洛倫茲曲線

由圖(1)、表(1)知：城市生活現狀年需水量的基尼系數全部大于0.5，為高度不平均，原因是城市生活需水較為集中，喜洲、挖色、下關3個單元占據了總城市生活需水的近40%；2035水平年的城市生活需水量的基尼系數下降到0.3～0.4，在合理范圍內。工業需水主要集中在喜洲、下關、鳳儀、海東，這四個單元的工業需水量占整個灌區工業需水量的近90%。工業需水現狀年、2035水平年的基尼系數都大于0.5，為高度不均衡，但2035水平年的基尼系數有所減小。農村生活、農業灌溉需水現狀年基尼系數范圍分別是0.2～0.3、0～0.2，為較均衡的水平。2035水平年的基尼系數分別為0.3～0.4、0.2～0.3，在合理范圍內。盡管農村生活用水提高，但由于一部分原來供水條件好的農村轉為城鎮，在提高城鎮生活需水空間均衡性的同時，加大了農村生活需水的空間差異性。

表1 各用水戶需水量基尼系數

表2 各供水工程供水量基尼系數

各典型年多年平均的基尼系數由高到低排序為：工業>城市生活>農村生活>農業灌溉。云南省水資源量與降雨量呈正相關關系，氣候與降雨是影響水資源量的關鍵因素[28]。由表(1)知城市生活與工業需水的基尼系數隨著降雨量的下降而上升，農村生活和農業灌溉與之相反。這表明豐水年城市生活和工業需水的均衡程度下降，農村生活需水均衡度提高，農業灌溉用水基尼系數變化規律不明顯。對比現狀年，2035水平年城市生活和工業需水的基尼系數都有下降，農村生活和農業灌溉需水的基尼系數有所上升，空間用水的不均衡性有所加大。

由圖(2)、表(2)知：現狀年各供水工程的多年平均基尼系數由高到低排序為：引提水工程>地下水工程>蓄水工程>洱海提水工程；2035水平年：引提水工程>外調水工程>蓄水工程>洱海提水工程>農業退水綜合利用工程。蓄水工程供水主要集中在三營、鳳儀等地，現狀年、2035水平年的蓄水工程供水量的基尼系數均高于0.5，為高度不平均。這是由灌區范圍內的水資源稟賦決定的，洱海灌區現狀水資源開發利用率已很高，可開發的水源工程點幾乎是唯一性的，不存在灌區內均衡建設的可能。現狀年、2035水平年的引提水工程基尼系數都高于0.5，為高度不平均，原因是供水主要集中在右所、鳳羽、喜洲等地，全省范圍由“引”變“蓄”的供水格局，使引提水工程在區域上的均衡性逐漸變低?，F狀年的地下水工程供水基尼系數大于0.5，表示高度不平均。主要是因為地下水只作為農村用戶的輔助水源，供水主要集中在右所、下關、喜洲等農村地區。2035水平年取消了地下水工程供水。2035水平年新加入規劃的滇中引水等外調水工程、農業退水綜合供水工程的基尼系數分別達到0.6～0.7、0.2～0.3。洱海灌區已建多座污水處理廠與沿湖沿河村落污水收集處理系統，城市再生水和農業退水得到了綜合利用。現狀年及2035水平年的洱海提水工程基尼系數都在0.4～0.5之間，表示差距過大。洱海提水工程主要集中在環湖的鳳儀、喜洲、下關、海東等地，不向其他較遠單元供水。

3.2 各水平年需水區位熵空間變化分析

現狀年和2035水平年在各頻率的需水因子區位熵如圖3—4所示。

圖3 現狀年需水因子區位熵

圖4 2035水平年需水因子區位熵

區位熵既反映該分區單元內某一用水戶供需水量在單元總供需水量中的比值，也在一定程度上揭示該單元某用戶和總供需水量占整個灌區相應供需水量的比重。圖中偏紅色為區位熵高值，偏綠色為區位熵低值。由圖3(a)知現狀年下關、挖色等城市生活需水區位熵值較高，城市生活需水占單元總需水的20.7%～46.5%，低值在右所、鳳羽，三營、喜洲等單元，城市生活需水僅占單元總需水的0.8%～7%。在2035水平年(圖4(e))，三營、上關、喜洲等單元發展特色旅游，城市生活需水提高較快，由現狀年的3%～7.3%提高到9.5%～22%。同樣在圖3(b)中，現狀年工業需水占比較大的單元有下關、鳳儀、海東，工業需水占其總需水量比重的27%～68%，區位熵也較高，低值區在鳳羽、上關、挖色，三營等單元，比重在0%～5.8%之間。2035水平年(圖4(f))各單元工業需水比重較現狀年變化不大。圖3(c)、圖4(g)表示農村生活需水所占分區單元的比重除挖色、上關較高(5%～13.5%)，其余比重都不足5%。在圖3(d)中，現狀年農業灌溉需水大部分單元區位熵值較高，農業灌溉需水占單元總用水的24.3%～97%，但是在城鎮化、工業化高的海東、下關、鳳儀等單元，農業灌溉用水比重只有18%～48%。 2035水平年農業灌溉需水比重下降到19.3～88.5%。城市生活、工業、農村生活用水比重在各年月基本一致，在不同豐、枯水平年間差異也不大。農業灌溉需水不僅有顯著的季節性變化，尤其在不同豐、枯年份間差異巨大，例如現狀年在頻率P=5%時農業灌溉需水26922m3，當P=95%時增加到42611萬m3，且不同的作物種類，種植結構、田間管理模式、土壤質地及水文地質條件等，也會引起需水量的變化。2035年水平年在洱海東岸規劃5萬hm2綠化土地，需水全部為農業灌溉需水。

從各行業需水發展趨勢看，城市生活需水2035水平年比現狀年增長10.5%，隨著城市化的發展，城市生活需水有所增加，同時農村生活需水下降；各典型年的工業生產總值雖增長較快但是由于節水與環保要求的提高，工業用水利用率較高，所以工業需水增長較小，2035水平年工業需水占比較現狀年提高5%；農業灌溉需水2035水平年較現狀年比重下降16.3%，說明通過積極探索水肥綜合調控模式、發展智慧農業等措施[29]，使灌溉水利用系數提高，農業灌溉總需水量大幅度下降。經分析，需水結構整體上與國民經濟的結構調整和發展要求一致。

3.3 各水平年供水區位熵空間變化分析

現狀年和2035水平年在各頻率的供水因子區位熵如圖5—6所示。

圖5 現狀年供水因子區位熵

圖6 2035水平年供水因子區位熵

供水系統可能會受到氣候變化導致降雨量減少的影響，從而降低其供應潛力[30]。由圖5(a)知現狀年蓄水工程供水區位熵值較高的三營、鳳儀等單元，供水占單元總供水比重分別在73%、40%以上，豐枯調節能力較好；熵值較低的喜洲、下關、海東等地，占比在8%以下，季節性供水不足現象突出。圖6(e)所示2035水平年鳳羽、右所的蓄水工程供水比重提高約20%，枯水年農業用水壓力得到緩解，其他灌片基本不變。在圖5(b)中，現狀年引提水工程占供水比重較大的鳳羽、右所、上關等區域，區位熵值也較高，這與圖5(a)正好相反。2035水平年(圖6(f))引提水工程供水比重由現狀年24%的占比下降到10.97%，與“由引變蓄”的規劃相符合。由圖5(c)知地下水工程供水只在現狀年進行了供水配置，且供水比重只占總供水的1.1%。在圖6(g、h)中，外調水工程與農業退水綜合利用工程加入了供水配置。外調水工程只向下關、鳳儀、挖色、海東等單元供水，供水比重占總供水的8%左右。農業退水綜合利用工程供水比重最高的區域是洱海東岸面山綠化單元，占總供水的40%～66%，熵值也最高，其次是鳳羽、右所、上關、喜洲等單元，供水占比在20%左右，原因是這些區域農業灌溉需水量大、對水質要求不高，因此這些單元農業退水綜合利用工程供水量占的比重較高。

在供水結構上，可以看出現狀年洱海提水比重最高，占到總供水量的45.63%，蓄水工程、引提水工程、地下水工程僅分別占總供水量的29.23%、24%、1.1%，2035水平年隨著供水格局的改變、滇中引水工程的建成、農業退水綜合利用工程的加入，使引提水工程、洱海提水工程分別下降到10.97%、38.7%，蓄水工程占比保持不變，外調水與農業退水綜合利用工程占比分別為8.1%、12.5%。其中下關2035水平年洱海提水占比由現狀年的88.35%下降到64.8%，新加入的外調水工程彌補了22.03%的供水量。供水量由于需水量的下降由現狀年的4.35億m3下降到2035水平年的3.66億m3，又隨著新工程的加入使得2035水平年各工程供水壓力減小，供水更加合理均衡，生態環境也得到有效改善。即使在要素稟賦匹配性較差的情況下，人類仍然通過資源調配滿足了自身發展需求[31]。各供水工程供水量呈由豐水年向枯水年遞增的趨勢，與需水量增減相符合。未來規劃中為緩解供水壓力，深入研究自然循環-人工循環特性的水資源二元動態循環過程，實現水資源的三次供需平衡[32]在供給側協調各項競爭性用水，通過工程措施改變水的天然時空分布來適應生產力布局，實現區域的發展模式與水資源條件相適應，達到可持續發展的目標[33]。

4 結語

本研究采用區位熵、匹配度、洛倫茲曲線、基尼系數等指標揭示了洱海灌區水資源配置成果及供、需水兩側空間的均衡性，主要結論如下：

(1)需水側各典型年的均衡性差異排序為：工業>城市生活>農村生活>農業灌溉，灌區內工業、城鎮建設較為集中，需水均衡度較低；農村生活與農業灌溉用水空間分布比較均衡；2035水平年總需水量下降25.8%，農業灌溉需水比現狀年下降16.3%，城市生活、工業需水占比分別提高10.5%、5%，農村生活需水占比保持不變，需水結構整體上與國民經濟結構調整和發展要求一致。

(2)供水側各典型年的均衡性差異排序為：現狀年：引提水工程>地下水工程>蓄水工程>洱海提水工程；2035水平年：引提水工程>外調水工程>蓄水工程>洱海提水工程>農業退水綜合利用工程。除農業退水綜合利用工程供水較均衡外，其余供水工程均衡性較差，這是水資源稟賦與自然地理差異導致的。2035水平年新加入外調水、農業退水綜合利用工程，使得引提水工程、洱海提水工程較現狀年分別下降13.03%、6.96%，蓄水工程占比保持29.5%不變，外調水與農業退水綜合利用工程各占總供水量的8.1%、12.5%。各工程供水壓力減小，供水更加合理均衡，生態環境也得到有效改善，供水工程的配置達到最佳的程度。